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本研究针对欧洲黄蜂（Vespa crabro）巢穴在博物馆加固前的材料特性展开调查。为阐明其化学与结构组成以及黄蜂参与的木材生物分解过程，研究人员综合运用高效液相色谱（HPLC）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线荧光光谱（XRF）、计算机断层扫描（CT）、扫描电子显微镜（SEM）及纤维分析等技术。结果表明，该巢穴主要由多糖（约52 wt%）构成，并含有部分水解的纤维素和半纤维素；其木质素含量（约17.6 wt%）低于原生木材，推测黄蜂倾向于使用风化或腐朽木材以易于加工。研究确认硬木为主要原料，并揭示了不同颜色区域化学成分的差异，外壁和巢室内的蛋白质成分被识别。痕量元素分析揭示了环境来源，而CT扫描则清晰展示了其十层六边形巢室的优化结构。这些发现为理解黄蜂筑巢行为、它们在自然木材分解中的作用提供了新见解，并有望启发可持续纤维基材料、粘合剂及绝缘技术的创新。
在自然界精巧的建筑师行列中，黄蜂家族占据着独特的一席之地。它们不仅建造出精密复杂的巢穴用于繁衍生息，其筑巢行为本身也是对自然材料的精妙加工与利用过程。欧洲黄蜂（Vespa crabro），作为体型最大的社会性黄蜂之一，其建造的纸巢规模可观，结构精良，长久以来吸引着博物学家和材料科学家的目光。这个由昆虫“制造”的结构，本质上是一个由咀嚼木材并与唾液混合后形成的“纸质”复合材料。然而，黄蜂具体如何处理木材原料？它们建造的巢穴在化学成分和微观结构上有何独特之处？这些特性又如何赋予了巢穴优异的力学强度和保温性能？深入探究这些问题，不仅能揭开昆虫行为的奥秘，更可能为人类开发新型可持续、高性能的生物基材料提供宝贵的仿生学灵感。
在此之前，虽然对黄蜂行为学有诸多观察，但对于其巢穴材料的系统性化学与结构分析，特别是黄蜂在筑巢过程中对木材的生物分解作用，仍缺乏详尽的科学数据。一个亟待厘清的核心问题是：黄蜂巢穴的化学组成相较于原生木材发生了哪些变化？这些变化是黄蜂有选择性地利用特定木材，还是其唾液酶促加工的结果？这些材料特性又如何与其宏观的巢室结构协同作用，实现功能优化？解答这些问题，对于理解昆虫在生态系统物质循环中的作用，以及推动生物质资源的高值化利用具有双重意义。
为此，一项发表在《Scientific Reports》上的研究对一座欧洲黄蜂巢展开了多角度的科学“体检”。研究团队旨在博物馆加固处理前，全面解析该巢穴的化学与结构组成，重点评估其材料特性并揭示黄蜂参与的生物化学木材分解过程。为了达成这一目标，研究人员动用了多种现代分析技术：利用高效液相色谱（HPLC）和糖分析来定量测定巢穴材料中的多糖（如纤维素、半纤维素）和木质素含量；借助傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析材料的官能团和化学键信息，以鉴别蛋白质、木质素等成分及其分布差异；采用X射线荧光光谱（XRF）检测巢穴中所含的痕量元素；通过计算机断层扫描（CT）无损地三维重建并分析整个巢穴的宏观层状与巢室结构；运用扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观形貌和纤维特征；并辅以纤维分析等技术进行综合判断。
化学组成：多糖为主与木质素的选择性降低
化学分析是解开巢穴材料本质的第一步。高效液相色谱（HPLC）的结果显示，该欧洲黄蜂巢穴主要由多糖构成，其含量约为52 wt%（重量百分比）。这些多糖包括部分水解的纤维素和半纤维素，并且在可提取物组分中发现了木材降解的产物。一个关键的发现是，巢穴材料中的木质素含量约为17.6 wt%，显著低于典型的原生木材。这一差异强烈暗示，欧洲黄蜂在采集筑巢原料时，并非随机啃食健康木材，而是有意识地选择了已经发生风化或开始腐朽的木材。因为在这些木材中，木质素（一种赋予木材刚性和抗降解能力的复杂聚合物）已经部分被微生物分解，使得纤维更容易被黄蜂的口器咀嚼和加工。糖分析和扫描电子显微镜（SEM）的观察进一步确认，黄蜂所使用的原始材料主要来源于硬木。
化学与结构的空间异质性：颜色差异揭示加工秘密
巢穴不同区域呈现出的颜色差异（如深棕色与米色）并非偶然，其背后是化学成分与结构的不同。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析揭示，颜色较深的棕色区域含有更高的木质素成分，并且其中的纤维素结晶度低于颜色较浅的米色区域。这表明黄蜂在构筑巢穴的不同部分时，可能使用了加工程度不同的木质浆料，或者材料在筑成后经历了不同程度的氧化或环境作用。此外，FT-IR和光学显微镜的联合分析，在巢穴的外壳中检测到了蛋白质成分，这些蛋白质很可能来自于黄蜂的唾液，充当着天然的粘合剂，将木质纤维牢固地粘结在一起。有趣的是，在巢室（comb cells）的内部也发现了蛋白质，这被认为是黄蜂幼虫代谢废物的残留。
环境印记与宏观结构设计
X射线荧光光谱（XRF）在巢穴材料中检测到了总量约1.4 wt%的痕量元素，包括铁（Fe）、铅（Pb）、锡（Sn）、锑（Sb）等。这些元素并非生物体固有成分，而是来自巢穴所处的周边环境，例如土壤、空气尘埃或人类活动污染，它们在黄蜂采集和加工材料的过程中被无意间纳入，成为了记录环境信息的“时间胶囊”。
如果说化学分析描绘了材料的“配方”，那么结构分析则展示了其“蓝图”。计算机断层扫描（CT）对整巢的无损扫描，清晰地揭示了其精妙的宏观架构：整个巢由多达10层相互平行的巢板（combs）构成，每层巢板又由无数紧密排列的六边形巢室组成。这种多层六边形的结构并非随意形成，而是在进化过程中被优化选择的结果。六边形是能用最少材料围成最大空间的最有效率形状，而多层结构则提供了优良的结构强度和隔热保温性能，为蜂群创造了一个稳定安全的内部环境。
这项研究通过多技术联用的方法，系统性地解码了欧洲黄蜂巢的化学与结构奥秘。其主要结论可归纳为：第一，欧洲黄蜂巢穴是一种以部分降解的木材多糖（纤维素和半纤维素）为主要成分的生物复合材料，其木质素含量低于原生木材，证实黄蜂倾向于利用预分解的木材以降低加工难度。第二，巢穴材料在化学和结构上具有空间异质性，不同颜色区域反映了木质素含量和纤维素结晶度的差异，并且蛋白质作为天然粘合剂存在于外壳中。第三，巢穴材料携带了环境来源的痕量元素印记。第四，其宏观的十层六边形巢室结构是一个经过自然优化设计，兼顾强度与绝缘性能的杰出工程范本。
在讨论中，研究者强调，这些发现深化了我们对Vespa crabro筑巢行为及其在自然木材分解循环中生态角色的理解。黄蜂不仅仅是木材的“使用者”，更是积极的“分解者”和“改造者”，它们的行为加速了木质纤维素的循环。更重要的是，这项研究跨越了昆虫学、材料科学和木材加工的界限，为人类技术发展提供了直接的仿生学启示。黄蜂利用唾液蛋白质粘结木质纤维制造坚固轻质复合材料的方式，为开发新型生物基、无甲醛的天然粘合剂指明了方向。其巢穴表现出的优异隔热性能，启发着研发更环保的建筑保温材料。而对黄蜂如何高效利用甚至“预处理”木质纤维素的深入理解，有助于优化工业上的生物质精炼和纤维加工工艺。因此，这项研究不仅贡献于基础科学知识，也强烈呼应了当前对可持续材料和绿色技术的迫切需求，展示了向自然界学习、从昆虫智慧中汲取灵感以解决人类材料挑战的巨大潜力。
